Bedeutsame galvanische Elemente

Lange Zeit dominierte in Autos und vielen anderen Fahrzeugen der Bleiakkumulator. Dieser ist ein galvanisches Element, welches sowohl Strom abgeben als auch aufnehmen kann, Daher kann man einen Bleiakkumulator während der Fahrt durch einen Generator aufladen, während ihm beim Start des Verbrennungsmotors und im Stand Strom entnommen wird.

Das Prinzip eines Bleiakkumulators lässt sich folgendermaßen darstellen:

Zwei Bleielektroden tauchen in eine relativ starke (ca. 37%ige) schwefelsaure Lösung ein. An der Donatorelektrode (Minuspol) geht elementares Blei als Blei(II)sulfat $PbSO_4$ in Lösung. Dabei werden pro Bleiatom zwei Elekronen an die Elektrode abgegeben:

$$Pb_{(s)} + SO^{2-}_{4(aq)} \rightleftharpoons PbSO_{4(s)} + 2e^-$$

An der Akzeptorelektrode (Pluspol) befindet sich eine Schicht aus rötlichem Blei(IV)dioxid, die sich beim Laden des Akkumulator bildet. Die vierfach positiv geladenen Blei(IV)-Ionen im Bleidioxid nehmen die zwei an der Donatorelektrode freigesetzten Elektronen auf und gehen ihrerseits als Blei(II)sulfat in Lösung. Dabei wird Schwefelsäure verbraucht:

$$(2) PbO_{2(s)} + SO^{2-}_{4(aq)} + 4H_3O^+_{(aq)} + 2e^- \rightleftharpoons PbSO_{4(s)} + 6H_2O_{(l)}$$

Die Gesamtgleichung lässt sich folgendermaßen formulieren:

$$ Pb_{(s)} + PbO_{2(s)} + 4H_3O^+_{(aq)} + 2SO^{2-}_{4(aq)} \rightleftharpoons 2PbSO_{4(s)} + 6H_2O_{(l)}$$

Zusammengefasst lässt sich der gesamte Entladungsvorgang folgendermaßen formulieren: \begin{align} &(1) Pb_{(s)} + SO^{2-}_{4(aq)} &&\rightleftharpoons PbSO_{4(s)} + 2e^-\\ &(2) PbO_{2(s)} + SO^{2-}_{4(aq)} + 4H_3O^+_{(aq)} + 2e^- &&\rightleftharpoons PbSO_{4(s)} + 6H_2O_{(l)}\\ \hline \\ &(Ges.) Pb_{(s)} + PbO_{2(s)} + 4H_3O^+_{(aq)} + 2SO^{2-}_{4(aq)} &&\rightleftharpoons 2PbSO_{4(s)} + 6H_2O_{(l)} \end{align}

Beim Aufladen laufen beide Reaktionen in die jeweils andere Richtung. Man sieht auch hier wieder die Rolle des Hydroniumionen als "Oxidionenfänger", indem sie mit den Oxidionen aus dem Blei(IV)dioxid $PbO_2$ zu Wasser $H_2O$ reagieren.

Sehr stark verkürzt geschrieben sieht man, dass Elektronen vom elementaren Blei $Pb$ aauf das vierfach positiv geladene Blei(IV)-Ion $Pb^{4+}$ im Blei(IV)dioxid $PbO_2$ übertragen werden:

\begin{align} &(1) Pb_{(s)} &&\rightleftharpoons Pb^{2+}_{aq} + 2e^-\\ &(2) Pb^{4+}_{(aq)} + 2e^- &&\rightleftharpoons Pb^{2+}_{aq}\\ \hline \\ &(Ges.) Pb_{(s)} + Pb^{4+}_{(aq)} &&\rightleftharpoons 2Pb^{2+}_{aq} \end{align}